Bài 3 điều chế góc

AM– ðiều chế biên ñộ là tuyến tính Chỉ di chuyển sang một băng tần mới, dạng phổ không thay đổi.. Instantaneous Frequency•ðiều chế góc có 2 dạng - Frequency modulation FM: thông tin ñượ

TR ƯỜ NG ðẠ I H Ọ C KHOA H Ọ C T Ự NHÊN

FM Basics

thành công vào năm 1949

QPSK, 8PSK,…)

QPSK, 8PSK,…)

Angle Modulation vs AM

– ðiều chế biên ñộ là tuyến tính

 Chỉ di chuyển sang một băng tần mới, dạng phổ không thay đổi Không có tần số mới được tạo ra

Angle Modulation

– Giảm nhiễu tốt hơn

– Cải thiện chất lượng hệ thống

– ðiện thoại tế bào

– Thông tin Vi ba và vệ tinh

Instantaneous Frequency

•ðiều chế góc có 2 dạng

- Frequency modulation (FM): thông tin ñược biểu diễn theo

sự thanh ñổi của tần số tức thời của sóng mang

- Phase modulation (PM): ): thông tin ñược biểu diễn theo sự thanh ñổi của pha tức thời của sóng mang

f t

dt

θπ

angle ( ) 2 ( )

f

i c f t

Relations between FM and PM

FM/PM Example (Time)

1

FM/PM Example (Frequency)

2 4 6 8 10

fc=1000; Ac=1; % carrier frequency (Hz) and magnitude

fm=250; Am=0.1; % message frequency (Hz) and magnitude

k=4; % modulation parameter

% generage single tone message signal

t=0:1/10000:0.02; % time with sampling at 10KHz

mt=Am*cos(2*pi*fm*t); % message signal

% Plot the signal

subplot(311), plot(t,mt,'b'), grid, title('message m(t)')

subplot(312), plot(t,sf,'r'), grid, ylabel('FM s(t)')

subplot(313), plot(t,sp,'m'), grid, ylabel('PM s(t)')

% spectrum

w=((0:length(t)-1)/length(t)-0.5)*10000;

Pm=abs(fftshift(fft(mt))); % spectrum of message

Pp=abs(fftshift(fft(sp))); % spectrum of PM signal

Pf=abs(fftshift(fft(sf))); % spectrum of FM signal

% plot the spectrums

angle ( ) 2 ( )

f

i c f t

d f t d

t 0

for k ) t ( m k ) t ( is frequency ous instantane The

t -T ) -(t -d ) m( d ) m( d ) m( ,

1 m(t)

T t for and t d ) m(

, 1 m(t)

t 0 For 0 t at starts m(t) Assume ) d ) m( k t cos( A ) t (

2 T f c f c i 2 T 2 T t 0 t 0 2 T t 0 2 T t -f c FM 2 T 2 T ≤ ≤ + ω = + ω = ω = = λ λ + λ λ = λ λ = ≤ ≤ = λ λ = ≤ ≤ = λ λ + ω = ϕ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∞ Consider m(t)- a square wave- as shown The FM wave for this m(t) is shown below m(t) 0 T 2T t →

k

and

k T t for k ) t ( and

t 0 for k )

t ( m k )

t ( is frequency ous

instantane The

f c min i f

c max i

2

T f c i

2 f

c f

c i

− ω

= ω +

ω

= ω

≤

≤

− ω

= ω

≤

≤ +

ω

= +

ω

= ω

→

t

) t (

FM

ϕ

Modulation Index

thay ñổi xung quanh tín hiệu chưa ñiều chế ( tần số thông tin)

β =

∫−∞

= t m d t

cos )

(

! 2

sin ) ( cos

)) ( Re(

)

2 2

2

t w t

a

k t w t

a

k t w t

a k t w A

t

ϕ

Narrow Band Angle Modulation

1 )

Thời gian: AM: tần số không ñổi

FM: biên ñộ không ñổi

Kết luận: tín hiệu NBFM thì

tương tự như tín hiệu AM

NBFM có băng thông 2W

(hai lần băng thông của tín

hiệu thông tin)

Example

Block diagram of a method for generating a narrowband FM

signal.

A phasor comparison of narrowband FM and AM waves for

sinusoidal modulation (

sinusoidal modulation (a a) Narrowband FM wave ( ) Narrowband FM wave (b b) AM wave ) AM wave.

Example

Bessel Function of First Kind

0 1

– Băng thông của tín hiệu FM bằng với băng thông của yêu

– Băng thông của tín hiệu FM bằng với băng thông của yêu

cầu của truyền dẫn ( kênh truyền)

– Carson’s Rule (cho biết sự ràng buộc)

Carson’s Rule

Gần như tất cả công suất nằm trong một băng thông

– ðối với tín hiệu thông tin ñơn tần có tần số fm

– ðối với tín hiệu tổng quá m(t) có băng thông (hoặc tần số cao

FM Modulator and Demodulator

FM Direct Modulator

– Tần số sóng mang thay ñổi trực tiếp với thông tin thông qua bộ

dao ñộng thế kiểm (voltage-controlled oscillator (VCO))

– VCO: tần số ngõ ra thay ñổi tuyến tín với ñiện thế ngõ vào

– A simple VCO: thực hiện bởi “variable capacitor”

– Máy phát FM dùng tụ và Microphone

– Máy phát FM dùng tụ và Microphone

FM Direct Modulator cont.

ứng dụng ở năng lượng thấp, không ổn ñịnh tại tần số sóng mang

0

Capacitance changes with

the applied voltage:

VCO

0 0

0 0

0 0

1

2 2

Indirect FM

multiplier

f1Crystal Controlled Oscillator

frequency

frequency

Indirect FM cont.

– Tần số tức thời ñược nhân bởi n

– Như vậy, tần số sóng mang ∆f, và β

– Băng thông bao nhiêu?

(t) Nonlinear Bandpass

Analysis of Indirect FM

1 2

f n

A simple electronic implementation of frequency multiplier

C1:100pF, L1:2.7µH D:1N914L2:.22µH, L3:1.8µH, L4:330µHC2:120pF, C3:10pF

30 MHz output X3 (x5)

Armstrong FM Modulator

Phát minh bởi E Armstrong, một bộ “indirect FM”

Thực hiện phổ biến cho thương mại

m(t)

(W<15kHz)

200 kHz carrier (crystal)

c1(t)

filter #1

Bandpass frequency

multiplier x72

c2(t) 13.15 MHz carrier (crystal)

Bandpass Filter #2

Frequency Multiplier X72

s(t)

carrier 1.44 MHz

carrier 1.25 MHz

FM Demodulator

– Khác biệt về ñường bao/ñộ dốc

 Bộ chuyển FM sang AM

– Phân biệt sự dịch pha / Tách sóng tỉ lệ

 Ước lượng sự thay đổi Ước lượng sự thay đổi

– Phát hiện ñiểm Zero

– Hồi tiếp tần số

 Phase lock loops (PLL)

FM Slope Demodulator

biệt tần số, ñiều này thực hiện việc ñổi tần số sang ñiện thế

range f

FM Slope Demodulator cont.

circuit + envelope detector)

Slope Detector

Magnitude frequencyresponse of

transformer BPF

Ratio Detector

– Sử dụng hai bộ chuyển từ tần số tức thời sang biên ñộ tức thời Biên ñộ thay ñổi ñược hiệu chỉnh ñể tạo ñiện thế DC ở ngõ ra có biên ñộ và cực với tần số tín hiệu vào

– Ví dụ

Zero Crossing Detector

FM Demodulator PLL

– Một mạch ñiều khiển hồi tiếp vòng, tạo một tín hiệu có pha (

và tần số) liên quan ñến tín hiệu tham chiếu

 Dò sự thay đổi tần số ( hoặc pha) của ngõ vào

 Hoặc thay đổi tần số ( hoặc pha) theo ngõ vào

– PLL có thể sử dụng cả ở ñiều chế và giải ñiều chế FM

– PLL có thể sử dụng cả ở ñiều chế và giải ñiều chế FM

 Cũng là như IC điều chế cân bằng được dùng cho cả gỉ điều chế

AM và FM

PLL FM

– Si=Acos(w c t+ φ 1 (t)), Sv=A v cos(w c t+ φ c (t))

– Sp=0.5AA v [sin(2w c t+ φ 1 + φ c )+sin( φ 1 - φ c )]

– So=0.5AA v sin( φ 1 - φ c )=AA v ( φ 1 - φ c )

s(t) VCO

m(t) +

− +

freqency devided

by N LP

Reference Carrier

r(t)

Filter Loop

VCO

Phase-Locked Loop Demodulator

(a) Block diagram for a PLL FM demodulator; (b) PLL FM demodulator using the XR

(a) Block diagram for a PLL FM demodulator; (b) PLL FM demodulator using the XR 2212 PLL 2212 PLL

1 Phi tuyến mạnh, , ñiều chế luật bình phương, nhân tần

2.Phi tuyến yếu, , không hoàn hảo

mối quan hệ input-output phi tuyến

) ( )

( )

( )

Nonlinear Effects in FM Systems

Một hệ thống FM là cực kỳ nhạy ñối với phi tuyến về pha

Những loại nguồn cơ bản : chuyển AM sang PM

Nonlinear Channel (device)

Electronic Amplifier

A: low powerB: high distortionC: need a filter but narrow band

Superheterodyne Receiver

– Giải ñiều chế  lấy lại tín hiệu thông tin

– Chỉnh tần số sóng mang  chọn ñài

– Filtering  bỏ nhiễu/can nhiễu

– Amplification  chống lại suy hao công suất truyền

Bộ thu Superheterodyne

– Heterodyne: trộn hai tín hiệu ñể tạo ra tần số mới

– Bộ thu superheterodyne: tín hiệu RF heterodyne có bộ chỉnh nội, chuyển sang IF

– Phát minh bởi E Armstrong năm 1918.

– AM: RF 0.535MHz-1.605 MHz, Midband 0.455MHz

– FM: RF 88M-108MHz, Midband 10.7MHz

Advantage of superheterodyne receiver

Một khối tín hiệu ( hoặc mạch ñiện) có thể thực hiện: chọn lọc, chất lượng tín hiệu, khuếch ñại công suất

Bộ nhận superheterodyne gồm nhiều khối khác nhau

Khối RF : chọn lọc

Khối IF: bộ lọc cho chất lượng tín hiệu cao, khuếch ñại, sử dụng mạch

ñiện hoạt ñộng ở tần số cố ñịnh IF, không ở băng lớn

ñiện hoạt ñộng ở tần số cố ñịnh IF, không ở băng lớn

FM Broadcasting

kHz và tạo dãi tần từ 87,5 ñến 108,5 MHz

– Nhiễu ngẫu nhiên có phân phối phổ có hình “tam giác” trong hệ

thống FM, ảnh hưởng của nhiễu xảy ra lớn ở tần số cao của tín hiệu

thống FM, ảnh hưởng của nhiễu xảy ra lớn ở tần số cao của tín hiệu dải gốc ðiều này có thể ñiều chỉnh ñể dạt ñến một giới hạn nhất

ñịnh bằng cách tăng cường tần số cao trước khi truyền và giảm

chúng một lượng tương ứng ở bộ thu

((a a) Multiplexer in ) Multiplexer in transmitter of FM stereo ((b b) Demultiplexer in ) Demultiplexer in receiver of FM stereo.

FM Stereo Multiplexing

Backward compatibleFor non-stereo receiver

TV FM broadcasting

fm=15KHz, ∆ f=25KHz, β =5/3, B=2(fm+ ∆ f)=80kHz